금속 부식

금속 재료가 주변 매체와 접촉하면 화학적 또는 전기 화학적 작용으로 인해 재료가 파괴됩니다. 금속 부식은 고에너지 상태의 금속을 저에너지 상태의 금속 화합물로 전환시키는 열역학적 자발적 과정입니다. 그중에서도 석유 및 석유화학 산업의 부식 현상은 소금물인 H의 전기화학적 부식을 포함하여 더욱 복잡합니다.₂S와 CO₂.
대부분의 부식 과정의 본질은 전기화학적입니다. 금속/전해질 용액 계면(전기 이중층)의 전기적 특성은 부식 메커니즘 연구, 부식 측정 및 산업 부식 모니터링에 널리 사용됩니다. 금속 부식 연구에 일반적으로 사용되는 전기화학적 방법은 개방 회로 전위(OCP), 분극 곡선(Tafel 플롯), 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)입니다.

1.부식 연구 기법

1.1OCP

분리된 금속전극에서는 하나의 양극반응과 하나의 음극반응이 동시에 같은 속도로 진행되는데, 이를 전극반응의 결합이라 한다. 상호 결합 반응을 "공액 반응"이라고 하며, 전체 계를 "공액계"라고 합니다. 공액계에서는 두 개의 전극 반응이 서로 상호 결합하고, 전극 전위가 동일할 때 전극 전위는 시간에 따라 변하지 않습니다. 이 상태를 '안정상태'라고 하고, 그에 해당하는 전위를 '안정전위'라고 합니다. 부식 시스템에서는 이 전위를 "(자체) 부식 전위 E"라고도 합니다._코르"또는 "개방 회로 전위(OCP)"이며, 해당 전류 밀도를 "(자기) 부식 전류 밀도 i"라고 합니다._코르". 일반적으로 개방 회로 전위가 양수일수록 전자를 잃고 부식되기 어려워지며 이는 재료의 내식성이 더 우수함을 나타냅니다.
CS potentiostat/galvanostat 전기화학 워크스테이션은 시스템에서 금속 재료의 실시간 전극 전위를 오랫동안 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다. 전위가 안정화되면 재료의 개방 회로 전위를 얻을 수 있습니다.

1.2 분극 곡선(Tafel 플롯)

일반적으로 전류가 흐를 때 전극 전위가 평형 전위에서 벗어나는 현상을 '분극'이라고 합니다. 전기화학계에서 분극이 일어날 때, 평형전위로부터 전극전위가 음으로 이동하는 것을 "음극분극"이라 하고, 평형전위로부터 전극전위가 양으로 이동하는 것을 "양극분극"이라 한다.
전극공정의 분극성능을 완전하고 직관적으로 표현하기 위해서는 전류밀도에 따른 전극전위 또는 과전위를 실험적으로 구하는 것이 필요하며, 이를 '분극곡선'이라고 합니다.
나는_코르금속 재료의 비율은 Stern-Geary 방정식을 기반으로 계산할 수 있습니다.

B는 재료의 Stern-Geary 계수, R입니다._피금속의 분극 저항이다.

i를 구하는 원리_코르Tafel 외삽법을 통해
Corrtest CS 스튜디오 소프트웨어는 자동으로 편광 곡선에 맞는 작업을 수행할 수 있습니다. 양극 세그먼트와 음극 세그먼트의 타펠 슬롭, 즉 b_에이그리고 b_기음계산할 수 있습니다.나_코르얻을 수도 있습니다. 패러데이 법칙에 기초하고 재료의 전기화학적 등가성과 결합하여 이를 금속 부식률(mm/a)로 변환할 수 있습니다.

1.3 EIS

AC 임피던스라고도 알려진 전기화학적 임피던스 기술은 시간에 따른 정현파 변화의 함수로 전기화학 시스템의 전류(또는 전압)를 제어함으로써 시간에 따른 전기화학 시스템의 전압(또는 전류) 변화를 측정합니다. 전기화학적 시스템의 임피던스를 측정하고, 나아가 시스템(매질/코팅막/금속)의 반응 메커니즘을 연구하고, 피팅 측정 시스템의 전기화학적 매개변수를 분석한다.
임피던스 스펙트럼은 테스트 회로를 통해 서로 다른 주파수에서 측정한 임피던스 데이터로부터 도출한 곡선으로, 전극 공정의 임피던스 스펙트럼을 전기화학적 임피던스 스펙트럼이라 한다. EIS 스펙트럼에는 여러 유형이 있지만 가장 일반적으로 사용되는 것은 Nyquist 플롯과 Bode 플롯입니다.

2.실험예

CS350 전기화학적 워크스테이션을 사용하는 사용자가 게시한 기사를 예로 들어 금속 부식 측정 시스템의 방법에 대한 구체적인 소개가 소개됩니다.
사용자는 기존 가공법(시편 #1), 선택적 레이저 용융법(시편 #2) 및 전자빔 용융법(시편 #3)으로 제조된 Ti-6Al-4V 합금 스텐트의 내식성을 연구했습니다. 스텐트는 인체 이식에 사용되므로 부식 매체는 모의 체액(SBF)입니다. 실험 시스템의 온도도 37℃로 제어되어야 합니다.

기구:CS350 전위차계/갈바노스타트
실험 장치:CS936 재킷 플랫 부식 셀, 항온 건조 오븐
실험 약물:아세톤, SBF, 상온 경화형 에폭시 수지
실험 매체:
모의 체액(SBF): NaCl-8.01,KCl-0.4,CaCl₂-0.14,NaHCO₃-0.35,KH₂PO₄-0.06, 포도당 -0.34, 단위는 g/L
표본(WE)
Ti-6Al-4V 합금 스텐트 20×20×2 mm,
노출된 작업 영역은 10×10 mm입니다.
비시험 영역은 상온 경화형 에폭시 수지로 코팅/밀봉됩니다.
기준 전극(RE):포화 칼로멜 전극
상대전극(CE):CS910 Pt 전도성 전극

2.1 실험 단계 및 매개변수 설정

2.1.1 OCP
테스트하기 전에. 작동 전극은 표면이 매끄러울 때까지 거친 것에서 미세한 것(360메쉬, 600메쉬, 800메쉬, 1000메쉬, 2000메쉬 순서)으로 연마해야 합니다. 연마 후 증류수로 헹구고 아세톤으로 탈지한 후 항온건조기에 넣어 37℃에서 건조하여 사용한다.
부식 셀에 시편을 조립하고, 모의 체액을 부식 셀에 도입하고, 염다리가 있는 포화 칼로멜 전극(SCE)을 평평한 부식 셀에 삽입합니다. Luggin 모세관의 끝이 작업 전극 표면을 향하고 있는지 확인하십시오. 물의 순환으로 온도가 37℃로 조절됩니다.

셀 케이블로 전극을 전위차계와 연결합니다.
실험→안정편파→OCP

데이터의 파일명을 입력하고 전체 테스트 시간을 설정한 후 테스트를 시작해야 합니다. 용액 속 금속재료의 OCP는 천천히 변하며, 안정하게 유지되기까지 비교적 오랜 시간이 걸린다. 따라서 시간을 3000초보다 짧게 설정하는 것이 좋습니다.

2.1.2 분극곡선

실험→안정분극→전위역학

초기 전위, 최종 전위 및 스캔 속도를 설정하고 전위 출력 모드를 "vs."로 선택합니다. OCP”.
“Use”를 체크하면 정점 E#1과 정점 E#2를 선택할 수 있습니다. 체크하지 않으면 스캔이 해당 전위를 거치지 않습니다.
최대 4개의 독립적인 분극 전위 설정점이 있습니다. 스캔은 초기 전위에서 시작하여 "정점 E#1" 및 "정점 E#2"를 거쳐 마지막으로 최종 전위까지 진행됩니다. "중간 전위 1"과 "중간 전위 2"를 켜거나 끄려면 "활성화" 확인란을 클릭하세요. 확인란을 선택하지 않으면 스캔이 이 값을 전달하지 않고 잠재적인 스캔을 다음 값으로 설정합니다.
OCP가 이미 안정적인 조건에서만 편광 곡선 측정을 수행할 수 있다는 점은 주목할 만합니다. 일반적으로 10분의 조용한 시간 후에 다음을 클릭하여 OCP 안정 기능을 엽니다.

→

잠재적 변동이 10mV/min보다 낮아지면 소프트웨어가 자동으로 테스트를 시작합니다.
본 실험예에서는 사용자가 전위를 -0.5~1.5V(vs. OCP)로 설정했습니다.
스캔을 중지하거나 반전시키는 조건을 설정할 수 있습니다. 이는 주로 공식 전위 측정 및 패시베이션 곡선 측정에 사용됩니다.

2.2 결과
2.2.1 OCP
개방 회로 전위 테스트를 통해 자유 부식 전위를 얻을 수 있습니다.이자형_코르, 이를 통해 금속재료의 내식성을 판단할 수 있습니다. 일반적으로 긍정적일수록이자형_코르즉, 재료가 부식되기가 더 어렵습니다.

그래프에서 우리는 시편 #1과 2의 내식성이 #3보다 우수하다는 결론을 내릴 수 있습니다.

2.2.2 Tafel 플롯 분석(부식률 측정)
이 실험의 양극화는 다음과 같습니다.

표시된 바와 같이 계산된 부식 속도 값에서 OCP 측정에서 얻은 것과 동일한 결론을 얻을 수 있습니다. 부식 속도는 Tafel 플롯으로 계산됩니다. 부식률 값이 OCP 방법으로 얻은 결론과 일치하는 것을 볼 수 있습니다.
Tafel 플롯을 기반으로 부식 전류 밀도를 얻을 수 있습니다.나_코르CS 스튜디오 소프트웨어에 통합된 분석 피팅 도구를 사용합니다. 그런 다음 작업 전극 면적, 재료 밀도, 당량과 같은 다른 매개변수에 따라 부식 속도가 계산됩니다.

단계는 다음과 같습니다:
클릭하여 데이터 파일을 가져옵니다.

데이터 피팅

셀 정보를 클릭하세요. 을 선택하고 그에 따라 값을 입력합니다.

테스트하기 전에 이미 셀 및 전극 설정에서 매개변수를 설정했다면 셀 정보를 설정할 필요가 없습니다. 다시 여기.
Tafel 피팅에 "Tafel"을 클릭합니다. 양극 세그먼트/음극 세그먼트의 데이터에 대해 자동 Tafel 피팅 또는 수동 피팅을 선택하면 부식 전류 밀도, 자유 부식 전위, 부식 속도를 얻을 수 있습니다. 피팅 결과를 그래프로 드래그할 수 있습니다.

3. EIS 측정
실험 → 임피던스 → EIS 대 주파수

EIS 분석

3.5% NaCl 용액에서 Q235 탄소강의 EIS는 다음과 같습니다.

위의 Nyquist 플롯은 커패시턴스 아크(파란색 프레임으로 표시)와 Warburg 임피던스(빨간색 프레임으로 표시)로 구성됩니다. 일반적으로 커패시턴스 아크가 클수록 재료의 내식성이 좋아집니다.

Q235 탄소강 EIS 결과에 대한 등가 회로 피팅
단계는 다음과 같습니다:
커패시턴스 아크의 등가 회로를 그립니다. "빠른 맞춤" 모델을 사용하여 R1, C1, R2를 얻습니다.
Warburg 임피던스 부분의 등가 회로를 그리십시오 - Ws의 특정 값을 얻기 위해 "quick fit"의 모델을 사용하십시오.
복잡한 회로에 값을 드래그하고 → 모든 요소 유형을 "Free+"로 변경하고 → 맞춤을 클릭합니다.
결과에서 오류가 5% 미만임을 알 수 있으며, 이는 우리가 그리는 자체 정의 등가 회로가 실제 측정의 임피던스 회로와 일치함을 나타냅니다. 보드 피팅 플롯은 일반적으로 원래 플롯과 일치합니다.